CN103997079A - 一种电动汽车交流充电桩及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车交流充电桩，包括交流输入控制模块，交流输出控制模块和中央管理模块，其中：交流输入控制模块用于实现交流电能的计量，交流供电控制和电气安全防护；交流输出控制模块用于实现充电电缆连接判断和同车载充电机进行通信；中央管理模块用于实现人机交互、用户身份识别、计量收费、数据管理和通信，对交流输入控制模块、交流输出控制模块的管理，以及对交流充电桩的故障诊断。本发明交流充电桩采用大屏幕LCD模块作为人机交互界面，可选择定电量、定时间、定金额、自动（即充满为止）等多种充电模式.该交流充电桩安装方便，使用简单，可布设于充电站、停车场等室内或室外场所。

Description

一种电动汽车交流充电桩及其使用方法

技术领域

本发明涉及电动汽车领域，特别是一种电动汽车交流充电桩及其使用方法。

背景技术

全球能源危机不断加深，石油资源日趋枯竭，加之燃油汽车对空气的危害日益加剧，各国政府及汽车企业普遍认识到，电动汽车将是是发展的方向。如今大小不同的电动汽车仓促出世，然而电动汽车充电技术还不够成熟，充电时间太长，充电效率太慢，大大降低了用户体验。如何解决电动汽车的充电问题，成为汽车相关企业亟需考虑的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供了一种电动汽车交流充电桩及其使用方法，方便快捷地解决了电动汽车充电的问题。

本发明提供的一种电动汽车交流充电桩，包括交流输入控制模块，交流输出控制模块和中央管理模块，其中：交流输入控制模块用于实现交流电能的计量，交流供电控制和电气安全防护；交流输出控制模块用于实现充电电缆连接判断和同车载充电机进行通信；中央管理模块用于实现人机交互、用户身份识别、计量收费、数据管理和通信，对交流输入控制模块、交流输出控制模块的管理，以及对交流充电桩的故障诊断。

进一步，所述交流输入控制模块包括保护装置、电能计量装置、交流接触器、断路器、急停按钮和异常检测电路；所述电能计量装置用于实现单次充电操作的消费电能计量；所述交流接触器用于向中央管理模块发送驱动信号闭合所述交流接触器。

进一步，所述交流输出控制模块包括专用电气接口和控制导引电路，所述专用电气接口用于交流充电桩与电动汽车的连接，所述控制导引电路用于判断和控制电流输出过程。

进一步，所述中央管理模块包括嵌入式微处理器、人机交互界面、存储器、通信接口和控制模块接口，所述嵌入式微处理器是所述交流充电桩的主控芯片；所述人机交互界面是所述交流充电桩的操作界面；所述存储器用于存储交易记录及交流充电桩运行记录；所述通信接口用于实现交流充电桩与监控中心通信，上传交易信息及交流充电桩运行信息，接收监控中心控制指令；所述控制模块接口用于连接交流输入控制模块和交流输出控制模块。

本发明还提供了一种电动汽车交流充电桩的使用方法，其中：

S11、用户刷卡进入系统后，显示射频卡读写器获取的用户信息，提示用户连接充电插头；

S12、用户可利用键盘选择合适的充电方式并设置相应的充电参数；

S13、再次刷卡可启动充电过程，同时向用户卡内写入未付费标识，用户将无法在未完成本次交易之前再次使用该卡；

S14、充电过程中，管理模块定时获取状态参数并显示，当判断出车载充电机已结束充电或已完成用户设置的充电目标时，充电过程结束，提示用户结账；

S15、用户再次刷卡可完成本次交易，并清除卡内未付费标识；此外，用户也可在充电过程中的任意时刻刷卡结束充电并完成交易。

 

与现有技术相比，本发明交流充电桩采用大屏幕LCD模块作为人机交互界面，可选择定电量、定时间、定金额、自动（即充满为止）等多种充电模式.该交流充电桩安装方便，使用简单，可布设于充电站、停车场等室内或室外场所。

 

附图说明

图1为交流充电桩结构框图；

图2为交流输入控制模块框图；

图3为交流输出控制模块框图；

图4为中央管理模块框图；

图5为软件任务优先级；

图6为任务关联设计示意图。

具体实施方式

     本发明的思想是：首先，作为电动汽车电能充电装置，系统必须采取必要的安全防护措施，向车载充电机可靠地输出高质量的交流电能，同时保障操作人员及设备的电气安全。其次，准确的电能计量及收费是系统的基本功能，要满足分时段多费率的使用要求。最后，一个友善的人机接口界面及便捷的操作流程设计，能够给用户留下愉快的使用体验，从而使产品更容易为用户所接受。

下面结合附图，对本发明做进一步详细的说明。

交流充电桩可固定安装在电动汽车外，与交流电网连接，为电动汽车车载充电机提供交流电源。 1 交流充电桩的总体设计方案

1.1 功能需求分析

首先，作为电动汽车电能充电装置，系统必须采取必要的安全防护措施，向车载充电机可靠地输出高质量的交流电能，同时保障操作人员及设备的电气安全。其次，准确的电能计量及收费是系统的基本功能，要满足分时段多费率的使用要求。最后，一个友善的人机接口界面及便捷的操作流程设计，能够给用户留下愉快的使用体验，从而使产品更容易为市场所接受。     1.2 模块化结构设计     根据交流充电桩的功能需求，对系统进行了模块化设计，如图1所示，交流充电桩的结构框图，交流充电桩包括交流输入控制模块、交流输出控制模块和中央管理模块。     各模块主要实现的功能如下：     (1)交流输入控制模块，实现交流电能的计量，交流供电控制，电气安全防护等。     (2)交流输出控制模块，包括了通信模块，实现充电电缆连接判断，并实现与车载充电机进行通信。     (3)中央管理模块，实现人机交互、用户身份识别、计量收费、数据管理和通信、交流输入／输出控制模块的管理，以及故障诊断等功能。

2 交流输入／输出控制模块设计

2.1 交流输入控制模块

如图2所示，交流输入控制模块框图，交流输入控制模块主要由断路器、保护装置、电能计量装置、交流接触器及急停按钮等装置组成。保护装置用于提供对操作人员及电动汽车车载充电机的电气安全防护，当出现意外情况时，如电涌、过压、漏电等，保护装置能及时响应，切断电能输出。此外，在紧急情况下，可使用安装在操作面板上的急停按钮断开断路器；异常检测电路可检测到断路器的开合状态，并将其反馈到中央控制模块。

电能计量装置用于实现单次充电操作的消费电能计量，考虑到系统分时段多费率计费的需求，选用了智能电表。工作时，电表可通过RS 485接口向中央控制模块发送消费电能、瞬时／平均电压及电流数据。

交流接触器位于电动汽车专用充电插座一侧，当充电电缆准确连接后，用户可通过中央管理模块发送驱动信号闭合接触器，向车载充电机输出交流电能。

2.2 交流输出控制模块

如图3所示，交流输出控制模块框图，交流输出控制模块主要由交流充电桩专用电气接口和控制导引电路组成，专用电气接口用于交流充电桩与电动汽车的连接，控制导引电路用于判断和控制电流输出过程。

交流充电桩在自检时，闭合开关S1，脉冲信号传输至电压监测点，表示交流充电桩准备完毕，可以进行充电。当电动汽车充电电缆与交流充电桩专用电气接口可靠连接后，控制导引电路闭环，R1和R2阻值相同，检测点正电压减半则表示连接正确。交流充电桩通过输出PWM信号将当前能提供的最大连续额定电流值告知车载充电机(约定可用的线电流和PWM信号占空比成线性比例关系)。

3 中央管理模块设计

如图4所示，中央管理模块框图，中央管理模块主要由嵌入式微处理器、人机交互界面、存储器及一些通信接口与控制模块接口组成。

中央管理模块采用了基于ARM Cortex-M3内核的嵌入式微处理器作为主控芯片，ARM Cortex-M3处理器是行业领先的32位处理器，适用于具有高确定性的实时应用，能提供出色的计算性能和对事件的卓越系统响应，同时可以适应低动态和静态功率的系统需求。选用的芯片系统时钟设置为96 MHz，可以满足交流充电桩的控制需求。机接口界面主要由LCD显示模块、键盘、导引灯、喇叭及射频卡读写器组成。LCD显示模块用于显示交流充电桩的详细工作信息；导引灯用于快速指示工作状态；喇叭用于提供语音提示；用户可利用键盘设置充电参数；射频卡读写器用于完成用户身份识别、充电过程启停管理及交易结算功能。存储器可采用大容量FLASH用于存储交易记录及交流充电桩运行记录。通过通信接口，实现交流充电桩与上级监控中心通信，上传交易信息及交流充电桩运行信息，接收监控中心控制指令。控制模块接口用于连接交流输入/输出控制模块。

4 软件设计

选用μC／OS-Ⅱ作为本设计的软件平台，它是一种具有可剥夺性多任务内核的实时操作系统，移植方便，而且稳定性和可靠性好。μC／OS-Ⅱ的系统资源丰富，最多可管理64个任务，并提供信号量、消息邮箱、消息队列及内存管理等系统级服务，用户还可根据需要进行裁剪。因此，比较适合于中小型实时控制系统。

4.1 任务规划

为实现交流充电桩的功能要求，本文设计了以下任务：按键查询任务、按键处理任务、LCD显示任务、IC卡读写任务、充电参数设置任务、充电过程控制任务、看门狗及异常检测任务。其中，按键查询任务和看门狗及异常检测任务设置为周期性任务。任务规划的关键是任务优先级的分配，根据任务的关联性、关键性、紧迫性、频繁性、快捷性和传递性，本文最终确定的软件任务优先级规划如图5所示。

4.2 任务关联设计

任务关联设计如图6所示，交流充电桩的应用软件包括7个模块，分别执行相应的任务，其中，

S21、按键查询模块延时循环检测按键输入，并将输入键值通过消息邮箱传递给按键处理任务实现按键控制，或传递给参数设置任务完成充电参数输入；

S22、按键处理模块接收输入键值并相应驱动软件的工作流程；

S23、充电参数设置模块接收输入参数值并保存为全局变量；

S24、IC卡读写模块接收信号量在适当的时机进行寻卡及读写操作，并利用信号量对充电过程实现启停控制；

S25、喂狗及异常检测模块以一定的周期循环，阻止看门狗溢出，在出现异常时进行故障处理，并通过消息邮箱停止充电过程；

S26、LCD显示模块接收到其他任务的信号量通知后，更新当前显示信息。

软件设计中，各任务优先级之间有一定的间隔，将来在更新任务或增加一个新任务时，能在不改变现有优先级分配的情况下，轻松找到一个合适的空闲优先级，为系统的改进和升级提供了便利。操作系统的时钟节拍设为10 ms，可以满足充电桩的实时要求。经过调试，软件运行稳定，人机交互响应及时，电能计量与收费准确，数据通信可靠。

交流充电桩的工作流程描述如下：

S11、用户刷卡进入系统后，显示射频卡读写器获取的用户信息，提示用户连接充电插头；

S12、用户可利用键盘选择合适的充电方式(自动、定电量、定时间、定费用)并设置相应的充电参数；

S13、再次刷卡可启动充电过程，同时向用户卡内写入未付费标识，用户将无法在未完成本次交易之前再次使用该卡；     S14、充电过程中，管理模块定时获取状态参数(电量、时间、故障信息等)并显示；当判断出车载充电机已结束充电或已完成用户设置的充电目标时，充电过程结束，提示用户结账；

S15、用户再次刷卡可完成本次交易，并清除卡内未付费标识；此外，用户也可在充电过程中的任意时刻刷卡结束充电并完成交易。

本发明交流充电桩采用大屏幕LCD模块作为人机交互界面，可选择定电量、定时间、定金额、自动（即充满为止）等多种充电模式.该交流充电桩安装方便，使用简单，可布设于充电站、停车场等室内或室外场所。

上述各种场景仅是本发明较佳的实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制，本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭示的技术范围内，作出各种的变形、补充或替换都属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电动汽车交流充电桩，包括交流输入控制模块，交流输出控制模块和中央管理模块，其特征在于：交流输入控制模块用于实现交流电能的计量，交流供电控制和电气安全防护；交流输出控制模块用于实现充电电缆连接判断和同车载充电机进行通信；中央管理模块用于实现人机交互、用户身份识别、计量收费、数据管理和通信，对交流输入控制模块、交流输出控制模块的管理，以及对交流充电桩的故障诊断。

2.根据权利要求1所述的交流充电桩，其特征在于：所述交流输入控制模块包括保护装置、电能计量装置、交流接触器、断路器、急停按钮和异常检测电路；所述电能计量装置用于实现单次充电操作的消费电能计量；所述交流接触器用于向中央管理模块发送驱动信号闭合所述交流接触器。

3.根据权利要求1所述的交流充电桩，其特征在于：所述交流输出控制模块包括专用电气接口和控制导引电路，所述专用电气接口用于交流充电桩与电动汽车的连接，所述控制导引电路用于判断和控制电流输出过程。

4.根据权利要求1所述的交流充电桩，其特征在于：所述中央管理模块包括嵌入式微处理器、人机交互界面、存储器、通信接口和控制模块接口，所述嵌入式微处理器是所述交流充电桩的主控芯片；所述人机交互界面是所述交流充电桩的操作界面；所述存储器用于存储交易记录及交流充电桩运行记录；所述通信接口用于实现交流充电桩与监控中心通信，上传交易信息及交流充电桩运行信息，接收监控中心控制指令；所述控制模块接口用于连接交流输入控制模块和交流输出控制模块。

5.一种电动汽车交流充电桩的使用方法，其特征在于：

S11、用户刷卡进入系统后，显示射频卡读写器获取的用户信息，提示用户连接充电插头；

S12、用户可利用键盘选择合适的充电方式并设置相应的充电参数；

S13、再次刷卡可启动充电过程，同时向用户卡内写入未付费标识，用户将无法在未完成本次交易之前再次使用该卡；

S14、充电过程中，管理模块定时获取状态参数并显示，当判断出车载充电机已结束充电或已完成用户设置的充电目标时，充电过程结束，提示用户结账；

S15、用户再次刷卡可完成本次交易，并清除卡内未付费标识；此外，用户也可在充电过程中的任意时刻刷卡结束充电并完成交易。